斜溝煤礦煤層開采對下覆鋁土礦影響評價

＊劉志偉

（山西古縣西山登福康煤業有限公司 山西 030000）

1.引言

煤系共伴生礦產資源是指在煤系地層中與煤炭共生或伴生的其他礦產和元素。我國煤系地層分布廣、厚度大。多數煤系地層不僅賦存有大量的煤炭資源，還共生或伴生有豐富的非金屬礦產和一些有益元素，它們與煤一樣，也是不可再生的資源。其中不少共伴生礦產儲量大、品位高、有開采價值，因此煤炭企業不能因采煤活動隨意破壞共伴生資源的開采條件，造成不可逆轉的損失。

2.井田鋁土礦賦存狀況

井田內勘探工作目的層為石炭、二疊系煤層，區內鋁土礦礦體賦存于石炭系中統本溪組底部，埋深較大，因此勘探報告未對鋁土礦進行采樣測試工作。2018年，山西地科勘察有限公司在井田內施工了一個鉆孔，孔深470.53m，取了15個樣品進行化驗，鋁土礦單樣厚度0.60-0.68m，單工程厚度4.28m；單樣品位46.74%-61.50%，單工程品位為54.28；A/S為3.97-9.69，單工程A/S為7.0。

斜溝煤礦井田范圍內有鋁土礦賦存，礦體賦存于石炭系中統本溪組底部，層位較穩定，礦體形態隨古地理呈波狀，起伏變化較大。根據鉆孔資料統計，井田內鋁土礦距離最下層可采煤層13號煤層31.56-71.95m。根據斜溝井田內施工的補23鉆孔資料結合周邊的黃輝頭鋁土礦區、趙家焉鋁土礦區、蘇家吉鋁土礦區資料，井田內鋁土礦礦體厚度0.30-5.97m，平均2.81m，礦體厚度較大，品位較好，有開采價值。根據《山西省河東煤田興縣斜溝井田勘探地質報告》采用結果，斜溝煤礦劃定礦區范圍內共求得鋁土礦（D+E）級儲量2602萬噸，對應新規范分類為推斷和預測的資源量（333）（334）。

綜上可知，井田內下覆的鋁土礦有開采價值，井田內煤層開采后將不可避免對底板產生擾動影響，因此需對斜溝煤礦煤層開采對下覆鋁土礦造成影響進行評價。

3.煤層開采對下覆鋁土礦影響分析

頂板隨煤層開采垮落的過程中，由于垮落矸石不能完全充滿采空區，上覆巖層大部分呈懸空狀態，采空區上覆未垮落巖層的重量將通過梁或板的形式通過采空區周圍煤體或煤柱傳遞到煤層底板，即在采場四周形成支承壓力區，當支承壓力達到部分巖體破壞的最大載荷時，煤層底板發生破壞。煤層底板變形擾動深度為底板巖體劇烈擾動變形距煤層的最大深度，其擾動深度直接關系到下覆資源的開采條件。

斜溝煤礦共7層全區可采或局部可采煤層，井田內鋁土礦位于各可采煤層下方，其中13號煤層為井田內最下層可采煤層，13號煤層埋深為14.78-817.84m，煤層厚度5.95-16.68m，平均厚度13.88m，屬厚煤層。因此對于下覆鋁土礦而言，其直接影響因素為最下層13號煤層開采后引起的底板擾動是否已到達鋁土礦層。

國內外學者主要利用線性回歸或非線性回歸、理論分析、相似模擬、數值模擬以及現場實測對煤層底板擾動深度進行研究，得出煤層底板擾動程度主要取決于工作面的礦壓作用和煤層底板的抗破壞能力，其主要影響因素有采深H、煤層傾角α、工作面斜長L、煤層采高M、底板巖層的抗破壞強度、構造（主要為斷層）等，計算方法主要有經驗公式、斷裂力學公式和塑性力學公式。

(1)統計公式法

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》推薦的全國統計公式計算井田內13號煤層開采后底板擾動深度：

式中：h-底板采動擾動深度，m；H-開采深度，m；α-煤層傾角，（°）；L-壁式工作面斜長，m。

該統計公式大部分數據主要集中于煤層埋藏深度小于400m，采高小于4.0m以下的條件，而且根據實測結果研究顯示，當埋深在400m以上的淺部基本不受采高的影響。且根據2013年5月由中國煤炭工業協會組織、山西西山晉興能源有限責任公司和華北科技學院共同完成的《山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦8號煤層頂底板三帶觀測及規律性研究》結果表明，本礦8號煤層采用該公式計算工作面底板擾動深度是安全可靠的。

當隨著埋藏深度的增加，大埋深條件下巖體受力狀態發生改變，煤層開采后開始向塑性變形階段過渡，支承壓力的改變會較大程度地影響巖體的變形，故在深部條件下采高對底板擾動的影響比在淺部的影響更大，底板擾動深度會發生較大的變化，因此需要對大埋深的底板擾動深度的計算公式重新統計分析。

中國礦業大學教授許延春在“大埋深煤層底板破壞深度統計公式及適用性分析”中[1]，通過對國內21個埋深超出400m的煤層工作面實測數據進行回歸計算，得出回歸方程：

式中：h-底板采動擾動深度，m；H-開采深度，m；α-煤層傾角，（°）；L-壁式工作面斜長，m；M-采高，m。

與此同時，在對國內典型礦井實測數據的基礎上對大埋深條件下受斷層影響、大采高一次采全高和特厚煤層分層開采時工作面底板擾動深度計算進行了分析，得出了對應的修正計算公式：

式中：Ad、Aq、Af-修正系數，其中Ad取值1.0～1.6，Aq取值1.5，Af取值0.57。

綜上所述，依據西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦13號煤層埋深差異較大的情況，對13號煤層開采對底板擾動深度的計算以埋深400m為分界進行分類處理。同時，13號煤層厚度為5.95-16.68m，平均厚度13.88m，采用綜采放頂煤的采煤方法，考慮采深、煤層傾角以及工作面斜長時，煤層開采后底板擾動深度計算公式為：

當煤層埋深H＜400m時：

當煤層埋深H＞400m時：

式中：h-底板采動擾動深度，m；H-開采深度，m；根據13號煤各鉆孔埋藏深度取值。α-煤層傾角，（°），根據《山西省河東煤田斜溝井田勘探地質報告》，井田內煤層傾角9-12°，本次計算13號煤層傾角按照最大12°取值。L-壁式工作面斜長，m；根據礦井初步設計，13號煤層采煤工作面斜長確定為245m。M-采高，m；根據13號煤各鉆孔實際煤層厚度取值。△M-采高增量，m。當煤層埋藏深度超過400m時，煤層采高13號煤層最小厚度5.95m選取，采高增量為各鉆孔煤層厚度與最小厚度5.95m差值。

根據統計公式法計算得，13號煤開采后底板擾動深度21.02-36.40m。

(2)理論計算法

考慮到回歸分析得出的煤層底板擾動深度計算公式未能充分反映出煤層底板擾動機理，因此，國內專家運用彈塑性理論、損傷斷裂理論等方法對煤層底板擾動機理進行研究。隨著工作面向前推進，當底板巖體所承受的支承壓力達到其臨界強度時，巖體便會產生塑性變形區，當塑性區逐漸擴大到巖體自身最大破斷長度時開始向采空區一側移動，并會形成一片連續的滑移面，此時底板擾動最為嚴重，擾動深度最大[2-3]。塑性擴展區由三個部分組成，分別為：主動極限區oab、被動極限區ocd、過渡極限區obc。主動區和被動區的滑移曲線都是由兩條直線組成，而過渡區則由一條以o為地點的兩條直線和一部分對數螺旋形組成。

開采擾動深度可以由以下公式計算：

式中：H-開采深度，m；φ-底板巖體內摩擦角，（°）。

根據上述公式可知，底板擾動深度與煤層埋深成正比，當埋深一定時，底板擾動深度隨巖體內摩擦角的增大成線性增長。由地質資料可知，13號煤層底板為泥巖砂質泥巖，部分為粉砂巖或泥灰巖，內摩擦角選取煤層底板巖體內摩擦角最大值45°，根據理論計算法對13號煤層開采后底板擾動深度計算，13號煤開采后底板擾動深度0.85-29.87m。

(3)計算結果分析

根據以上計算可知，采用統計公式法計算得出13號煤層開采后對煤層底板的擾動深度為21.02-36.40m；采用理論計算法計算得出13號煤層開采后對煤層底板的擾動深度為0.85-29.87m。經數據分析，當煤層埋藏深度較小時，計算結果差異較大；隨煤層埋藏深度的增加，兩種計算結果差異逐漸減小。

鋁土礦礦體賦存于石炭系中統本溪組底部，礦體厚度0.30-5.97m。上覆煤層開采對鋁土礦的影響取決于煤層開采后底板擾動深度是否已進入鋁土礦層。13號煤層與鋁土礦層層間距由鉆孔數據計算，為保險起見，鋁土礦層厚度按照最大值5.97m計算。3號煤層底板采動擾動深度未進入鋁土礦，也就是說，斜溝煤礦劃界批復范圍內煤層開采不會對下覆鋁土礦造成影響和破壞。

4.結論

斜溝煤礦劃界批復開采礦種為煤，不涉及鋁土礦資源開發利用。采用統計公式法與理論計算法分別計算了13號煤層開采底板擾動深度，分別為21.02-36.40m、0.85-29.87m，本報告采用計算值較大的統計公式法數值，計算的底板擾動深度均小于對應鉆孔的13號煤層底板到鋁土礦頂板距離，13號煤層開采底板擾動深度沒有進入鋁土礦，故斜溝煤礦劃定礦區范圍內煤層開采對下覆鋁土礦體不造成影響和破壞。